코크스 오븐 배터리의 에너지 효율 향상을 위한 1차원 열전달 모델 개발 및 연료 유량 제어 알고리즘 연구 = Development of a One Dimensional Heat Transfer Model and Fuel Flow Control Algorithm for Improving the Energy Efficiency of Coke Oven Batteries

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a one-dimensional transient heat-transfer model for a coke-oven battery is developed and an adaptive fuel-control strategy is proposed. The model couples the combustion chamber, refractory wall, and coking chamber via a unit-cell concept, enabling fast battery-scale simulations compared with three-dimensional CFD. The control strategy adjusts the fuel-flow rate according to the estimated coking progress.
Simulation results show clear trade-offs between fuel saving and coke quality. A moderate fuel reduction of 16% lowers the average combustion-gas and coking-chamber temperatures by only 1.87% and 1.96%, respectively, while a fuel-normalized quality index improves by 3%. In contrast, reductions above 30% shorten the high-temperature residence time and deteriorate quality.
Because the method is implemented purely in software, it can be retrofitted without hardware modification. At 16% fuel saving, CO₂ emissions are reduced approximately in proportion to fuel use, and optimized combustion conditions help suppress NOx. The proposed model and control scheme provide a practical basis for low-carbon operation of coke ovens in integrated steelworks.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 1. 철강 산업과 환경 규제 1
• 2. 기존 코크스 오븐의 운전 환경 4
• 제 2 절 연구 내용 6
• 1. 연구의 필요성 6
• 2. 연구 목적 8
• 제 2 장 이론적 배경 9
• 제 1 절 코크스 제조 공정 9
• 1. 코크스의 역할 및 중요성 9
• 2. 코크스 오븐 배터리 구조 12
• 제 2 절 코크스 오븐의 열전달 16
• 1. 열전달 메커니즘 16
• 2. 석탄의 열적 특성 변화 18
• 제 3 장 수치해석 모델링 방법 20
• 제 1 절 해석 모델 정의 및 가정 20
• 1. Unit Cell 모델 20
• 2. 모델링 가정 22
• 제 2 절 수학적 모델 25
• 1. 연소실(Combustion chamber) 25
• 2. 내화벽(Refractory wall) 26
• 3. 탄화실(Coke oven) 27
• 제 3 절 수치해석 알고리즘 28
• 1. 계산 알고리즘 28
• 2. 경계조건 및 초기조건 31
• 제 4 절 모델 검증 32
• 1. 실험데이터 비교 32
• 2. 열유속 분석 35
• 제 4 장 연료제어 알고리즘 및 시뮬레이션 결과 37
• 제 1 절 탄화 진행도 기반 연료 제어 알고리즘 37
• 1. 제어 알고리즘 개념 37
• 2. 연료 절감 시나리오 설정 40
• 3. 품질 평가 방법 42
• 제 2 절 연료 제어 적용 결과 44
• 1. 연소실 온도 변화 44
• 2. 탄화실 온도 변화 46
• 3. 품질 평가 비교 48
• 4. 결과 종합 및 고찰 51
• 제 5장 결론 55
• 참고문헌 57